第四章 PSpice 软件与电路特性模拟

OrCAD/PSpice 软 件 的 前 身 是 SPICE ， 其 全 称 为Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis ，即重点用于集成电路的模拟程序。

Pspice A/D 分析的电路特性

电路模拟的基本过程

4.1.5 PSpice 中的数字、单位和运算式 1.PSpice 中的数字在 PSpice A/D 中，数字采用通常的科学表示方式，即可以使用整数、小数和以 10 为底的指数。用指数表示时，字母 E代表作为底数的 10 。对于比较大或比较小的数字，还可以采用 10 种比例因子，如表 4-3 所示。例如， 1.23K 、 123E3和 1230 均表示同一个数。 对于以 M 开头的 3 个比例因子符号应给予特别的注意。若用单个字母 M( 不管大、小写 ) ，则代表 10-3 。要表示 106必须用 MEG 三个字母表示，这与常规习惯有些不同，在使用中稍有不慎，将会出现错误。例如在交流小信号分析中，要指定 100 兆赫兹的频率，必须用 100MEG 表示，若按平时习惯将其表示为 100M ，则 PSpice 却将其理解为 100 毫赫兹。

2.PSpice 中的单位 采用实用工程单位制，即时间单位为秒，电流单位为安培，电压单位为伏，频率单位为赫兹。在运行过程中， Pspice A/D 会根据具体对象 , 自动确定其单位。因此在实际应用中，代表单位的字母可以省去。例如，表示 470 千欧的电阻时，用470K ， 47E5 ， 470KOM 等 均 可 。 对 于 几 个 量 的 运 算 结果， PSpice A/D 也会自动确定其单位。例如，若出现电压与电流相乘的情况， PSpice A/D 将自动给运算结果确定单位为功率单位 " 瓦特 "(W) 。

3.PSpice 中的运算表达式 在使用 PSpice A/D 过程中，往往要使用很多表达。 PSpice A/D 中的表达式由运算符、数字、参数和变量构成。

4.1.6 电路图中的节点编号和输出变量表达式 1. 电路图中的节点编号在电路模拟分析过程中，指定输出结果电压时，要采用节点编号。 PSpice 接受的节点号可以采用下面 4 种形式： (1) 由用户设置的节点名称。 (2) 用户为电路端口符号确定的名称。 (3) 用元器件的引出端作为节点号名称。其一般形式为：元器件编号：引出端名。其中，元器件编号是该元器件在电路图中的编号，其第一个字母 必 须 是 代 表 该 元 器 件 类 型 的 关 键 字 符 ( 见 表 4-1) ， 如R5 ， CLOAD ， Q2 等。

对二端元器件，用 1 和 2 作为两个引出端名称。对独立电流源和电压源，用 + 和 - 作为两个引出端名称。 对多端器件，用引出端名称字母代号。例如，双极晶体管的基极、集电极、发射极和衬底 4 个引出端名称分别采用字母B 、 C 、 E 和 S 。按此规定， V(Q2 ： C) 代表电路图中编号为 Q2 的双极晶体管的集电极 C 与地之间的电压。对场效应晶体管，源极、漏极和栅极名称分别采用字母 S 、 D 和G 。若有衬底引出端，则采用字母 B 。

(4) 用 数 字 编 排 的 节 点 序 号 。 在 生 成 电 路 连 接 网 表 文 件时， PSpice 将给每个节点编排一个数字编号，并将节点数字编号与上述几种节点名的对应关系存放在 Alias 文件中( 以 ALS 为扩展名 ) ，同时显示在以 .out 为扩展名的输出文件中。2. 输出变量的基本格式PSpice 完成电路特性分析以后，代表分析结果的输出变量基本分为电压名 ( 包括节点电压、元器件引出端电压，或两个节点 / 或引出端之间的电压 ) 和电流名 ( 包括流过两端元件的电流或流过多端器件某一引出端的电流 ) 两类。

(1) 电压变量的基本格式。如果输出变量是一个电压，则电压名的基本格式为 V( 节点号 1[ ，节点号 2])其中， V 是关键字符。在其后括号内指定两个节点号，表示输出变量是节点号 1 与节点号 2 之间的电压。若输出变量是某一节点与地之间的电压，则节点号 2 可省去。(2) 电流变量的基本格式。如果输出变量是一个电流，则电流名的基本格式为 I( 元器件编号 [ ：引出端名 ])对于两端元器件，不需要给出引出端名。

需要指出的是：电路模拟分析结果中，电流计算值的正负与元器件引出端编号有直接的对应关系 . 按 PSpice 规定 , 无源两端元件的电流定义方向是从 1 号端流进 ,2 号端流出 ; 独立源从正端流进，负端流出 ; 多端有源器件的电流正方向定义为从引出端流入器件。 3. 输出变量的别名表示 (Alias) 用元器件编号及其引出端名表示的输出变量以及交流小信号AC 分析中的所有输出变量，除可以采用上述基本表示格式外，还具有 " 别名 "(Alias) 表示形式。

(1) 交流小信号 AC 分析中的输出变量名。对 AC 分析，还可以采用下述输出变量格式V[AC 标示符 ]( 节点号 1[，节点号 2])I[AC 标示符 ]( 元器件编号 [:引出端名 ])即在基本格式中的关键词 V 和 I后面，可以加一个表示 AC 分析输出量类型的标示符字母。表 4-4 给示了可采用的 5 种 AC标示符及其含义。如果 AC 分析的输出变量关键词仍采用 V 或 I 而未加 AC标示符，那么其含义与采用 AC标示符 M 的作用相同，即表示输出变量的振幅 ( 或称为模值 ) 。

(2) 用元器件引出端名表示的输出变量。如果输出变量中的节点号采用元器件编号及引出端名表示，可将括号中的引线名称放在关键词 V 和 I后面，括号内只保留元器件编号名。例如 :VC(Q1) 代表电路图中编号为 Q1 的双极晶体管的集电极C 与地之间的电压。

4.3 直流工作点分析 (Bias Point Detail)

4.3.2 结果输出 进行直流工作点分析时， PSpice 将电路中的电容开路 ,电感短路 ,对各个信号源取其直流电平值，然后用迭代的方法计算电路中的直流偏置状态。完成直流工作点分析后， PSpice 将结果自动存入 .OUT 输出文件中。存入 .OUT输出文件中的直流工作点分析结果包括：各个节点电压，流过各个电压源的电流，总功耗以及所有非线性受控源和半导体器件的小信号 (线性化 ) 参数。

4.4 直流灵敏度分析 (DC Sensitivity)

4.4.1灵敏度分析的含义 虽然电路特性完全取决于电路中的元器件取值，但是对电路中不同的元器件，即使元器件值变化的幅度 ( 或变化比例 )相同，引起电路特性的变化也不会完全相同。灵敏度分析就是定量分析、比较电路特性对每个电路元器件参数的敏感程度。 PSpice 中直流灵敏度分析是分析指定的节点电压对电路中电阻、独立电压源和独立电流源、电压控制开关和电流控制开关、二极管、双极晶体管共 5 类元器件参数的敏感度，并将计算结果自动存入 .out 输出文件中。

4.4.2 灵敏度的定量表示 1. 元件灵敏度 S指电路特性参数 T 对元器件值 X绝对变化的灵敏度，即为 T 对 X 的变化率 S(T,X)=∆ T/∆X例如，对于图 4-8所示的简单电阻分压电路，输出电压 Vo 对电阻 R1 和 R2 的元件灵敏度分别为：S(Vo ， R1)=∆Vo/∆R1=-VinR2/(R1+R2)2=-1/16 S(Vo ， R2)= ∆V/∆R2=VinR1/(R1+R2)2=3/16

2. 相对灵敏度 SN

指电路特性 T 对元器件值 X 相对变化为 1% 情况下的灵敏度。SN=S(T ， X)* X /100

对图 4-8所示分压电路：SN(Vo ， R1)=[S(V0 ， R1)*R1]/100 =-VinR1R2/[100(R1+R2)2]=-3/1600 SN(Vo ， R2)=[S(V0 ， R2)*R2]/100 =VinR1R2/[100(R1+R2)2]=3/1600

4.5直流传输特性分析 (Transfer Function)

4.5.1 功能 : 进行直流传输特性分析时 ,PSpice 程序首先计算电路直流工作点并在工作点处对电路元件进行线性化处理，然后计算出线性化电路的直流小信号增益、输入电阻和输出电阻并将结果自动存入 .out 文件中。本项分析又简称为 TF 分析。

4.6 直流特性扫描分析 (DC Sweep )

4.6.1 功能 直流特性扫描分析的作用是：使电路中某个元器件参数( 称为自变量 ) 在一定范围内变化，对自变量的每个取值，计算电路的直流偏置特性并显示分析结果 ( 称为输出变量 ) 。在进行直流特性扫描分析时，还可指定一个参变量并确定其变化范围。对参变量的每一个取值，均使自变量在其变化范围内按每一个设定值，计算输出变量的变化情况。本项分析又简称为 DC 分析。

4.7 交流小信号频率特性分析 (AC Sweep )

4.7.1 功能 本项分析的作用是计算电路的交流小信号频率响应特性。分析时首先计算电路的直流工作点，并在工作点处对电路中各个非线性元件作线性化处理得到线性化的交流小信号等效电路。然后使电路中交流信号源的频率在一定范围内变化并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。本项分析又简称为 AC 分析。

4.8 噪声分析 (Noise Analysis)

4.8.1 功能 电路中每个电阻和半导体器件在工作时都要产生噪声。为了定量表征电路中的噪声大小， PSpice 采用了一种等效计算的方法，具体计算步骤如下：(1)选定一个节点作为输出节点，将每个电阻和半导体器件噪声源在该节点处产生的噪声电压均方根 (RMS)值叠加。(2)选定一个独立电压源或独立电流源，计算电路中从该独立电压源 ( 电流源〉到上述输出节点处的增益，再将第 (1)步计算得到的输出节点处总噪声除以该增益就得到在该独立电压源 ( 或电流源 )处的等效噪声。

等效噪声相当于是将电路中所有的噪声源都集中到选定的独立电压源 ( 或电流源 )处。其作用大小相当于是在输入独立源处加上大小等于等效噪声的噪声源，则在节点处产生的输出噪声大小正好等于实际电路中所有噪声源在输出节点处产生的噪声。 噪声分析是伴随 AC 分析进行的。

4.9 瞬态特性分析 (Transient Analysis)

脉冲信号（ Pulse ）

分段线性信号 PWL （ Piece － Wise Linear ）

4.10傅里叶分析 (Fourier Analysis) 傅里叶分析的作用是在瞬态分析完成后，通过傅里叶积分，计算瞬态分析输出结果波形的直流、基波和各次谐波分量。因此，只有在瞬态分析以后才可能进行傅里叶分析。

4.11 输入激励信号波形的设置

4.12 温度分析 (Temperature Analysis) 众所周知，电阻阻值以及晶体管的许多模型参数值与温度的关系非常密切。如果改变温度，必然通过这些元器件参数值的变化导致电路特性的变化。 PSpice 中的各个元器件模型都考虑了模型参数与温度的关系。进行电路特性分析时， PSpice的内定温度为 27℃。如果要分析在其他温度下电路特性的变化，可以采用温度分析方法。

4.13 参数扫描分析 (Parametric Analysis)

参数扫描分析的作用是对指定的每个参数变化值，均执行一次指定的电路分析。在参数扫描分析中，可变化的参数包括独立电压源、独立电流源、温度、模型参数和全局参数 5种。并且还可以设置参数的变化方式。 参数扫描分析在电路优化设计方面有重要的作用，将其与波形显示处理模块 Probe 的电路设计性能分析(Performance Analysis) 功能 ( 见第 5 章 ) 结合在一起，可用于优化确定元器件参数设计值。

4.14 蒙托卡诺 (Monte Carlo) 分析 为了模拟实际生产中因元器件值具有一定分散性所引起的电路特性分散性， PSpice提供了蒙托卡诺分析功能。 进行蒙托卡诺分析时，首先根据实际情况确定元器件值分布规律，然后多次“重复”进行指定的电路特性分析，每次分析时采用的元器件值是从元器件值分布中随机抽样，这样每次分析时采用的元器件值不会完全相同，而是代表了实际变化情况。完成了多次电路特性分析后，对各次分析结果进行综合统计分析，就可以得到电路特性的分散变化规律。 MC 分析结束后，采用波形显示分析模块 Probe 可以用直方图表示电路特性的分散情况。再与规范值相比较，就可以得到满足规范要求的电路所占的比例，这也就是成品率。

2.进行 MC 分析需要确定的问题(1) 如何描述元器件参数值的变化规律。(2) 一共要进行多少次 "重复 " 分析 ( 类比于实际组装多少块电路 ) 。(3) 要考虑电路哪种电特性的分散变化。(4) 如何比较各次电路分析的结果。 (5) 如何生成 MC 分析的总结果。

4.14.2 元器件参数变化规律的描述 1. 用于统计分析的元器件符号和模型参数 为了适应统计分析中模型参数要在一定范围内变化的要求， PSpice 中专门提供了统计分析用的元器件符号库，其名称为 BREAKOUT 。库中每种无源元器件符号名为关键字母后加 BREAK ，如电阻、电容和电感符号的名称分别为RBREAK 、 CBREAK 和 LBREAK 。对半导体有源器件，还在BREAK 后加一些字符。例如双极晶体管符号名又分为代表NPN 晶体管的 QBREAKN 、代表 PNP 管的 QBREAKP 、代表横向 PNP(LPNP) 的 QBREAKL 等等。进行统计分析时，要考虑其参数变化的那些元器件必须改用 BREAKOUT 库中的符号。对这些元器件符号，再在其模型参数的设置中，在需要考虑参数变化的那些模型参数常规设置项 " 参数名 =参数值 " 的后面，添加下面介绍的设置，具体描述该参数的变化。

由于一个电路中可能有多个元器件共用一个模型，如果在MC 分析中每次分析时的随机抽样方式是这几个元器件值变化值相同，则用关键词 LOT 表示。如果这几个元器件值各自独立变化，则用关键词 DEV 表示。每次分析中的抽样是按照随机数发生器产生的随机数进行的。 PSpice 对 LOT 和DEV 两种发生器均提供有 10 个编号的随机数发生器，用 0,…,9表示。如果希望同一个模型中的几个模型参数甚至不同模型间的模型参数按同一组随机数产生的随机数抽样，只需要在这几个模型参数的设置中，在 LOT 或 DEV 后面紧跟同一个编号的 lot # ，其中 lot# 为 0,…,9中的某一数字，在lot# 前需加斜杠符号 "/" 。如果在模型参数的设置中未采用lot# ，则表示该参数按单独一个发生器产生的随机数变化。

2. 参数变化模式的设置

3. 参数变化规律的设置 为了反映实际生产中元器件参数的分布变化情况， PSpice提供了正态分布 (又称高斯分布 ) 和均匀分布两种分布函数，供用户选用。 PSpice 中内定的参数分布为均匀分布，用户也可在OPTIONS 设置中修改参数 DISTRIBUTION 的赋值，改变内定的参数分布。若用户选用的参数分布与内定的设置相同，则本项设置可省。 PSpice 还具有分布规律设置功能，供用户设置更符合实际情况的参数变化分布规律。

4. 参数变化中幅度的设置 在参数变化规律的设置后面应给出表示参数变化幅度的数字。若数字后跟有百分号%，则代表相对变化百分数，否则表示变化的绝对幅度。对正态分布，其 1σ与变化的绝对幅度相对应。对均匀分布，其整个变化范围对应变化的绝对幅度。5. 元器件参数变化规律的描述格式根据上述分析，在 MC 分析中描述元器件参数统计变化是在需考虑其参数值变化的 " 参数名 =参数值 " 后面加上变化规律描述，其一般格式为：

参数名 =参数值 [DEV[lot ＃ ][/ 分布规律名 ] 〈变化值〉[%]] +[LOT[/lot#][/ 分布规律名 ] 〈变化值〉 [%]] 其中 " 参数名 " 即为要考虑其参数变化的模型参数名称。 " 参数值 " 为该模型参数的中心值，或标称值。上述格式中用方括号括起来的表示并非一定要给出。 DEV 、 LOT 为关键词，表示参数变化模式。 lot# 可取 0 ， ... ， 9，分布规律名可以是 GAUSS ， UNIFORM 或用户定义的分布函数名。注意这两项赋值前面的斜杠符号不可少，且斜杠号前后不应留空格。

4.14.3 MC 分析参数设置

4.15 最坏情况分析 (Worst-Case Analysis)

1.什么是最坏情况分析 由于灵敏度的不同，当电路中不同元器件分别变化时，即使元器件值的变化幅度 ( 或相对变化 ) 相同，但电路特性变化的绝对值不会相同，而且其变化的方向也可能不同。当电路中多个元器件同时随机变化时，他们对电路特性的影响会起相互 "抵消 " 的作用。进行最坏情况分析时，是按引起电路特性向同一方向变化的要求，分别确定每个元器件的 (增减 )变化方向，然后再使这些元器件同时在相应方向按其可能的最大范围变化。对电路特性来说，这就是一种最坏情况。在这种情况下进行电路分析就叫做最坏情况分析 (Worst-Case Analysis) ，简称 WCase 分析，或 WC 分析。

(1)首先进行一次标称值分析。(2) 对要考虑其模型参数值发生变化的元器件分别进行一次灵敏度分析，确定该元器件值变化时引起电路特性变化的大小和方向。这里的灵敏度分析，实际上是将该参数值扩大一定倍数后进行一次电路分析。系统内定值为增大 0.1%。(3) 按照电路特性变坏的方向，确定每一个元器件值的变化方向。(4) 根据 (3) 的分析结果，使每个元器件均向 "最坏方向 " 按其最大可能范围变化，进行一次电路分析，得到最坏情况分析结果，并与标称值分析结果进行比较。

2.最坏情况分析的步骤

4.16 输出文件（ .OUT 文件）